Warum Single Pair Ethernet für die Automation so interessant ist

| Autor / Redakteur: Ralf Tillmanns * / Kristin Rinortner

Single Pair Ethernet: Weidmüller plant die Variante IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 (im Bild) und die Variante IEC 63171-5 für die Umgebung IP67.
Single Pair Ethernet: Weidmüller plant die Variante IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 (im Bild) und die Variante IEC 63171-5 für die Umgebung IP67. (Bild: Weidmüller)

Single Pair Ethernet ist – ungeschirmt – in der Automobilindustrie Standard. Jetzt steigt auch in der Automation das Interesse an einer geschirmten Industrievariante. Wir geben einen Überblick zu den aktuellen Aktivitäten bei IEC 63171-1 und IEC 61076-3-125.

Immer häufiger ist in industriellen Anlagen Ethernet als Feldbus-Alternative anzutreffen. Die Vorteile einer durchgängigen Vernetzung über die Steuerung bis zur IT-Welt sind groß. Viele Hindernisse, wie eine definierte Reaktionszeit, wurden hierfür überwunden und so ein Industrial Ethernet geschaffen, das den harten Anforderungen im maschinennahen Umfeld genügt.

Durch die Migration der Feldbustechnik auf Ethernet ist man in der Lage, nicht nur das Zustandssignal abzufragen, sondern es ist eine intelligente Kommunikation mit dem Sensor möglich. Durch die neue Technologie und deren neue Verkabelungsstrukturen können zukünftig aktive Komponenten reduziert werden, wenn man ein vierpaarige Verkabelungsinfrastruktur nutzt.

Eine Single-Pair-Ethernet(SPE)-Installation benötigt deutlich weniger Platz, das ist vor allem bei kompakten I/O-Schnittstellen vorteilhaft. SPE hat nur noch ein Adernpaar anstelle von zwei bzw. vier Paaren. Der Anstoß für diese Entwicklung kam aus der Automobilindustrie, dort werden die Bordnetze in dieser Technologie ausgeführt.

Mittlerweile wächst auch in der Automatisierungstechnik das Interesse an dieser Technologie. Der einfache Aufbau und die damit verbundene Reduktion von Gewicht, Platzbedarf und Installationsaufwand kommt den Anlagenbauern entgegen. Die Übertragungsraten von 10 MBit/s (Überlegungen gehen bis hin zu 1 GBit/s) mit einer Übertragungslänge von 1000 m sind für zukünftige Industrieanwendungen in Industrie-4.0-Applikationen gut geeignet. Auch in intelligenten Gebäudenetzwerken, IoT-Anwendungen und anderen Steuerungs- und Aktornetzwerken bietet die kostengünstige SPE-Infrastruktur viele Vorteile.

Applikationsunabhängige Verkabelung mit vier Kammern

Neben einer reinen einpaarigen Verkabelungsstruktur ist es zulässig, auch eine vierpaarige Verkabelungsstruktur aufzubauen, um gleichzeitig vier einzelne SPE-Kanäle zu übertragen (Cable sharing). Besonders in industriellen Anwendungen, in denen häufig zahlreiche Sensoren auf engstem Raum verbaut sind, ist dies ein großer Vorteil.

Solche gebündelten Strukturen lassen sich dort mit wenigen zusätzlichen Verbindungskomponenten realisieren. Die Verbindungstechniken nach IEC 63171-2 (IP20-Umgebung) und IEC 63171-5 (IP67-Umgebung) weisen zudem das gleiche Steckgesicht auf. Eine vierpaarige Verbindung auf Basis von M12-Steckverbindern erweitert die Verbindungstechnik für SPE, wie sie auch in der IEC 63171-5 beschrieben wird. Durch das gleiche Steckgesicht ist man in der Lage, Verbindungen in den Schutzarten IP20 und IP67 zu kombinieren.

Diese Kompatibilität ist vor allem in der Feldmesstechnik vorteilhaft. Vorhandene Verkabelungssysteme in der IP67-Umgebung können leicht und schnell mit IP20-Steckverbindern normgerecht gemessen und qualifiziert werden.

Eine direkte vierpaarige Messung ist möglich, es lassen sich aber auch einzelne Paare in dem vierpaarigen System messen. Auf Grund der höheren Anforderung an die Steckverbinder gegenüber der Kategorie 8.2 gemäß der ISO/IEC 11801-1:2017-12 können die vierpaarigen Verbindungen gemäß der IEC 63171-2 und IEC 63171-5 applikationsunabhängig eingesetzt werden.

Einsatzgebiete wie Datacenter, Office, Home und Industrie sind denkbar. Die Verbindungstechniken in den verschiedenen Umgebungen IP20 und IP67 haben immer die gleichen übertragungstechnischen Eigenschaften.

Standards für die IP-basierte Kommunikation in der Industrie

Derzeit werden die Standards für eine durchgängige Kompatibilität von Geräten, Leitungen und Steckverbindern entwickelt. In der IEEE (International Electrical and Electronics Engineers) 802.3 (Ethernet) wurden die verschiedenen SPE-Applikationen (100 Base-T1, 1000 Base-T1) in diversen Projektgruppen bearbeitet und verabschiedet.

Die Applikation 10 Base-T1 (IEEE 802.3cg) ist noch in Bearbeitung und soll im September 2019 verabschiedet werden. Ergänzend zum aktuellen Stand der „IEEE P802.3cg/D2.2 Draft Standard for Ethernet Amendment: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors“ ist zu betonen, dass definierte Verbindungstechniken (MDI) gemäß der IEC 63171-1 und 61076-3-125 verwendet werden können, aber nicht müssen. Somit können auch andere Verbindungstechniken für den Aufbau einer Verkabelungsstruktur zum Einsatz kommen. Zumal der MDI nur die Verbindungstechnik an der Aktivkomponente beschreibt.

Nutzerorganisationen wie beispielsweise die PROFINET-Nutzerorganisation e.V. (PNO) sowie die ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) können auf Basis der aktuellen Normung ihre Steckgesichter definieren.

Ergänzendes zum Thema
 
Single Pair Ethernet (SPE) kurz erklärt

Steckverbinderhersteller und Partner für Single Pair Ethernet

Um die Verkabelungsstrukturen für Single Pair Ethernet zukünftig zu realisieren, arbeiten verschiedene Unternehmen zusammen. Neben den Steckverbinderherstellern Phoenix Contact, Reichle & De-Massari und Weidmüller wurden Belden für die Kabelumgebung sowie Fluke Networks für die Feldmesstechnik in die Entwicklung und Umsetzung eingebunden. So lässt sich die Verkabelungsstruktur der neuen Technologie umfassend aus verschiedenen Betrachtungswinkeln realisieren.

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* Ralf Tillmanns arbeitet als Entwicklungsingenieur bei Weidmüller in Detmold.

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